Взгляд из Великобритании начала 1930-х годов на летающие лодки с большой дальностью полета. Часть 1
Интересная винтажная статья, которая, думаю, заинтересует коллег.
РАЗРАБОТКА ЛЕТАЮЩИХ ЛОДОК С БОЛЬШОЙ ДАЛЬНОСТЬЮ ПОЛЕТА
Содержание:
Примечание редакции: некоторое время назад главный конструктор гидросамолетов в компании Blackburn Aeroplane & Motor Co., Ltd. майор Ренни (Major Rennie) написал данную статью для склада авиационной техники в метрополии, Королевские ВВС, Хенлоу (Henlow). Данный материал представляет настолько большую ценность, что мы решили, что он заслуживает получения максимальной известности, и поэтому мы публикуем его полностью.
Вступление
Понятно, что в статье такого объема можно лишь кратко остановиться на фундаментальных аспектах данной темы, поскольку связанные с этим частные задачи, такие как заправка, швартовка и т. д., хотя и имеют большое значение, но слишком многочисленны для обсуждения и выходят за рамки данной статьи. Кроме того, с самого начала следует отметить, что трактовка темы данной статьи относится, в частности, к военным самолетам, хотя во многих отношениях не существует строгой демаркационной линии между исключительно военными и исключительно коммерческими летающими лодками. Также будет целесообразным указать, что имеется в виду под термином «большая дальность полета», поскольку данный термин является относительным. Можно предположить, что в будущем широкое применение найдут гигантские летающие лодки, размеры которых превышают налагаемые на самолеты практические и экономические ограничения, и как следствие эти гидросамолеты придется транспортировать к их операционным базам. С географической точки зрения первый участок воздушной линии, соединяющей Великобританию с её восточными владениями, представляет собой перелет из Плимута в Мальту с промежуточной посадкой в Гибралтаре с целью дозаправки. На рисунке 1 показана карта этого маршрута с указанием в морских милях длины каждого участка. Как видно из рисунка запаса топлива для полета протяженностью 1500 миль (2414 км) будет по всей видимости достаточно для перелетов по данному маршруту. Изучение карты показывает, что этого запаса топлива будет достаточно как для перелета из Мальты в Красное море с целью продолжения полета к Персидскому заливу, так и для продиктованных стратегическими соображениями боевых вылетов из Мальты в любую точку Средиземноморья. С военной точки зрения увеличение дальности полета представляется неэкономичным, поскольку очевидно, что масса топлива в боевой нагрузке должна быть минимальной. Другими словами, за исключением особых обстоятельств нет никаких оснований для в спецификации на летающие лодки дальности полета, превышающей ту дальность, которая может быть рассчитана для военных операций в будущих конфликтах. Таким же образом, в случае, если коммерческие летающие лодки действуют на линиях большой протяженности, для рентабельности перевозок существует предел дальности полета, за превышение которого приходится расплачиваться промежуточными посадками для дозаправки на удобных этапах маршрута.
Рисунок 1
Выбор конструктивных решений в рамках проводимой политики
Крайне важно, чтобы вероятность срыва военных операций вследствие поломки самолетов, выхода из строя силовой установки или неблагоприятных атмосферных или морских условий была как можно более низкой, поскольку любое преимущество, которое можно получить в этом отношении, имеет огромное значение и во многих случаях может стать решающим фактором в достижение военного превосходства.
Из опыта хорошо известно, что летающая лодка, имеющая на борту нормальную массу нагрузки или превышающую ее и находящаяся в воздухе, будет обладать хорошей управляемостью и будет способна выполнять свои боевые задачи. Однако при определенных морских условиях летающая лодка может не взлететь или при попытке взлета получить серьезные повреждения, которые приведут к выходу самолета из строя. Другими словами, трудности, с которыми приходится сталкиваться гидросамолетам, связаны главным образом с морем, а не с воздухом. Эти трудности стали предметом изучения и привели к нескольким предложениям относительно возможных конструктивных характеристик или проводимой политики чтобы преодолеть или, по крайней мере, смягчить это неблагоприятное положение дел. Кроме того, трудности проектирования увеличиваются, поскольку обычно указываются высокие аэродинамические характеристики, особенно в отношении высокой крейсерской скорости и большой дальности полета. Хотя до настоящего времени такой параметр как время взлета в условиях отсутствия ветра не был четко сформулирован, он был принят как максимум 30 секунд и 60 секунд при нормальной нагрузке и перегрузке соответственно.
В настоящий момент приняты три состояния морской поверхности, при которых летающая лодка должна совершить взлет или посадку. Первое – это сравнительно защищенные от волнения воды с легкими ветрами, второе – моря с волнением от среднего до сильного и ветрами от слабых до сильных и третье – длинные тяжелые волны с легкими ветрами. Очевидно, что второе и третье состояния являются наихудшими, особенно последнее, которое, хотя в Великобритании встречается редко, но довольно широко распространено в различных регионах за рубежом, особенно на Мальте в начале года.
Принимая во внимание вышеизложенное, различные предложения, выдвигаемые время от времени в отношении конструкции гидросамолетов и проводимой политики, могут быть удачно изложены в форме трех проектных спецификаций, каждая из которых будет однозначно определять общую компоновку для удовлетворения одних и тех же требований. Они заключаются в следующем:
Спецификация A
Самолет должен быть спроектирован для работы во внутренних водах или для действий между защищенными от капризов природы баз. Чтобы обеспечить быстрый и безопасный взлет удельная нагрузка на мощность не должна превышать 12 фунтов на л.с. (5,4 кг/л.с.) и скорость взлета 50 узлов (93 км/ч). Он должен быть оснащен не менее чем тремя двигателями, и конструкция самолета должна быть такой, что при отключении одного из двигателей и работа остальных на 10 процентов сниженной мощности он сможет поддерживать горизонтальный полет на высоте 2000 футов (610 м); скороподъемность на данной высоте должна быть не менее 100 футов в минуту (30,5 м/мин).
Спецификация B
Самолет должен быть спроектирован так, чтобы работать в относительно защищенных от капризов природы водах, и поэтому от этого гидросамолета исключительная степень мореходности не ожидается и не требуется. В этих условиях он должен быть способен взлетать с максимально возможной нагрузкой при соблюдении следующих условий:
• На любом этапе полета в случае отключения одного из двигателей должна быть возможность сбросить достаточное количество топлива, чтобы позволить летательному аппарату продолжить полет к ближайшей базе, при этом самолет не должен терять высоты и обороты оставшихся двигателей были бы обычными.
Спецификация C
Самолет должен быть спроектирован с мореходными качествами, сопоставимыми с мореходными качествами надводного корабля по меньшей мере такого же водоизмещения. Самолет должен эксплуатироваться в схожих состояниях морской поверхности при соблюдении следующих условий:
• На любом этапе полета в случае отключения одного из двигателей должна быть возможность сбросить достаточное количество топлива, чтобы позволить летательному аппарату продолжить полет к ближайшей базе, при этом самолет не должен терять высоты и обороты оставшихся двигателей были бы обычными.
Теперь давайте вкратце рассмотрим эти спецификации в свете изложенных выше военных требований. Что касается условий в отношении отказа двигателя, то они, конечно же, применимы ко всем трем спецификациям. Исключение составляют многомоторные самолеты, от которых потребуется выполнение любого из этих условий в случае выхода из строя более чем одного двигателя. В любом случае, над каким бы пункт мы ни работали, он определенно влияет на общую массу самолета.
Конструкция, разработанная по Спецификации A имеет одно преимущество в том, что она обеспечивает быстрый и безопасный взлет. Это привело бы к оптимальным летным характеристикам и минимальной массе конструкции, поскольку наибольшие нагрузки на корпус и силовой набор возникают при взлете во время сильного волнения. С другой стороны низкая удельная нагрузка на мощность, вытекающая из выполнения условия отказа двигателя, может серьезно повлиять на запас топлива, необходимый для полетов на большой дальности.
Большинство современных британских летающих лодок будут соответствовать спецификации B. Этим самолетам определена умеренная степень мореходности, так как практический опыт показал, что необходим такой ее уровень. За исключением летающих лодок Blackburn Iris, которые по сравнению с другими лодками того же класса показали превосходные мореходные качества, гидросамолеты спецификации B подходят только для патрулирования в прибрежных зонах или для полетов большой дальности над морской поверхностью в подходящих погодных условиях. Это означает ограниченную полезность летающих лодок спецификации B, однако хотя они не отвечают строгим военным требованиям, они, тем не менее, представляют большую ценность для военных.
Теперь мы переходим к гидросамолетам спецификации C, для которых должна быть приоритетной хорошая мореходность. Эта спецификация будет отвечать требованиям, предъявляемым к дальней морской летающей лодке-разведчику.
Для военных способность выполнять полет без прерывания по какой-либо причине имеет важное значение. Помимо этого, аргумент, часто выдвигаемый в пользу положения об отказе двигателя, заключается в том, что на многомоторной летающей лодке в случае отказа двигателя можно безопасно добраться до базы, не совершая при этом вынужденной посадки. Кроме того, если предположить, что в неблагоприятных морских условиях была осуществлена безопасная посадка, то с полной уверенностью можно сказать, что летающая лодка с большой долей вероятности вряд ли взлетит снова. Таким образом, если продолжить рассуждения, то можно прийти к выводу, что исключительные мореходные качества не нужны или требуемые мореходные качества недостижимы, и поэтому вероятность вынужденной посадки должна быть пренебрежимо мала.
Один из ответов на этот аргумент, часто выражаемый со стороны самолета, состоит в том, что, если имеются береговые базы, то многомоторные самолеты с колесным шасси благодаря своим более низким эксплуатационным расходам могут использоваться вместо летающих лодок. Согласно приведенным выше аргументам гидросамолеты, по-видимому, не обеспечивают никакой дополнительной безопасности или надежности по сравнению с самолетами наземного базирования, в то время как основное достоинство летающих лодок должно заключаться в способности совершать безопасные взлет и посадку по крайней мере в средних морских условиях.
Общепризнано, что ни один вид транспорта не может быть постоянно иметь стопроцентную надежность, и поэтому любое развитие по вышеуказанным направлениям лишь задержало бы прогресс, поскольку если летающая лодка должна занять свое место в качестве признанного безопасным транспортного средства, будь то для военных или коммерческих целей, то принципиально важно, чтобы ожидаемая мореходность была более или менее сопоставима с надводным судном того же водоизмещения. Казалось бы, нет никаких причин, по которым такая летающая лодка, спроектированная и построенная конечно же при некотором увеличении её массы и снижении летных характеристик, не должна иметь как минимум равную способность находиться в море с надводным судном того же водоизмещения и не менее устойчивой к атмосферным воздействиям. Прогресс в этом направлении, безусловно, внушит доверие экипажам и эксплуатантам авиационной техники и практически устранит постоянный страх перед катастрофой после вынужденной посадки на море.
В этой связи есть еще один аспект, который в будущем может обрести большую ценность для военного применения. Небольшие морские корабли, такие как эсминцы и т.д. в узких рамках уже достигли тех максимальных скоростей, которые они могут развить. Как следствие следующее большое увеличение скорости может быть получено только путем аквапланирования (глиссирования), а дальнейшее увеличение возможно только посредством полета. Крупная летающая лодка, которая хорошо вооружена и обладает сопоставимыми мореходными качествами и, следовательно, может в течение длительного времени держаться на воде после вынужденной посадки, выполнять рулежки на большой скорости и взлетать если и когда в этом возникнет необходимость. Все это в дополнение к последующему увеличению продолжительности патрулирования может оказаться чрезвычайно полезным в будущих военных операциях в других легко объяснимых отношениях.
Кроме того, если для чрезвычайной ситуации или выполнения конкретной военной будет отменена оговорка о выходе двигателя из строя, то летающая лодка будет взлетать с бóльшим процентом перегрузки, поскольку в силу ее мореходных качеств время взлета становится второстепенным – главное, чтобы машина смогла подняться в воздух и выполнять боевые задачи.
Исходя из вышеизложенного, можно согласиться, хотя бы с военной точки зрения, что для летающей лодки такого типа мореходность имеет первостепенное значение, поскольку для выполнения описанных выше боевых задач она должна сочетать в себе, насколько это практически возможно, качества, необходимые для самолета и морского судна.
Теперь мы приступим к рассмотрению характеристик различных типов летающих лодок. Только при соответствующем взаимном расположении пяти незаменимых основных компонентов, а именно: крыла, корпуса, двигателей, устройств обеспечения стабилизации на воде и хвостового оперения такая компоновка может соответствовать требованиям данной спецификации.
Характеристики типов летающих лодок
За исключением общей компоновки детальное обсуждение аэродинамических особенностей различных типов летающих лодок выходит за рамки данной статьи. Достаточно сказать, и сказанное было убедительно доказано результатами эксплуатационных испытаний современных британских летающих лодок, что компоновка не должна быть связана с какими-либо потерями в аэродинамической эффективности. Напротив, летные характеристики крупных многомоторных летающих лодок могут легко превосходить характеристики самолета наземного базирования при равных массах обоих летательных аппаратов.
В случае летающей лодки, соответствующей спецификации C, а также, как будет показано ниже, в соответствии с её строгими требованиями компоновка гидросамолета будет на удивление чистой, хотя масса конструкции будет больше, и, следовательно, летные характеристики будут ниже, чем у машин, соответствующих спецификациям A и B.
Теперь давайте кратко рассмотрим гидродинамические характеристики. Хотя они и касаются привычной сферы деятельности (если это имеет отношение к приведенным ниже аргументам), обзор гидродинамических характеристик приведен для полноты картины.
На рисунке 2 показана обычная диаграмма для случаев с нормальной нагрузкой и с перегрузкой при неподвижном воздухе и при скорости ветра десять узлов (18 км/ч). Данные о сопротивлении воды получают по результатам испытаний в опытовом бассейне и отображаются отдельно. К этому добавляется аэродинамическое сопротивление, создавая общее сопротивление на всех скоростях вплоть до скорости взлета. Добавление кривых тяг воздушных винтов завершает перечень необходимых данных. Разница между располагаемой тягой и общим сопротивлением на заданной скорости дает силу, используемую для ускорения, и, следовательно, посредством графической интеграции время взлета. Выражая этот результат в системе математических обозначений, мы имеем:
Где (W/g) – эффективная масса, и в первом приближении:
W можно принять за общую массу,
T за тягу двигателей,
H за гидродинамическое сопротивление,
D за аэродинамическое сопротивление,
V за скорость взлета.
Рисунок 2
Эти кривые показывают две интересные вещи. Во-первых, влияние на взлет даже ветра со скоростью десять узлов (18 км/ч), а во-вторых, общее сопротивление быстро увеличивается со скоростью до максимума в диапазоне 20-25 узлов (37-46 км/ч), а затем медленно снижается до скорости взлета. Сопротивление на этой скорости обычно называют сопротивлением «горба», а соответствующую скорость – скоростью «горба». Эта скорость знаменует переходный период от подъемной силы, обусловленной водоизмещением или плавучестью, к той, которая возникает в результате динамических сил воды, действующих на глиссирующее днище корпуса. Другими словами, именно с этой скорости начинается глиссирование и с этой скорости подъемная сила быстро передается на крылья. Как только подъемная сила сравняется с весом гидросамолета, он оторвется от воды и будет полностью в воздухе.
В состоянии покоя или в ситуации, когда скорость чуть выше скорости «горба», летающая лодка поддерживается на воде гидростатической силой, и, следовательно, преобладают условия статической остойчивости на воде. Из-за относительно высокого положения центра тяжести летающих лодок и низкого центра плавучести метацентрическая высота отрицательна. Следовательно, летающая лодка не будет обладать поперечной устойчивостью или другими словами имеет тенденцию к крену, если не нее будет воздействовать внешняя сила. Следовательно, для обеспечения необходимого момента выравнивания требуется установка дополнительных устройств стабилизации на воде. Кроме того, из-за действия на крылья момента крена, возникающего от поперечного ветра, разворота на якоре или поворота к ветру при швартовке, эти стабилизаторы должны обеспечить дополнительный восстанавливающий момент. Кроме того, если при проектировании необходимо учесть минимальную силу поперечного ветра в тридцать узлов (56 км/ч), то расчеты показывают, что при наличии одного корпуса в качестве средства флотации установка устройств стабилизации необходима даже самым крупным летающим лодкам из числа в данный момент разрабатывающихся.
Однако при поступательном движении и скорости, превышающей около двадцати узлов (37 км/ч), летающая лодка благодаря системе динамических сил, действующих на глиссирующее днище корпуса, автоматически принимает ровное килевое положение. По мере увеличения скорости управление элеронами становится все более эффективным, в результате чего для более высоких скоростей вплоть до скорости взлета стабилизаторы больше не нужны. В ближайшее время мы вернемся к этому вопросу. Между тем различные формы и расположение средств стабилизации представлены на рисунках 3-6, на которых представлены четыре современные британские летающие лодки. Как будет видно существует четыре совершенно разных схемы размещения:
- Рисунок 3 – Supermarine Southampton Mk.X; полутораплан с подкрыльевыми поплавками, расположенными близко к корпусу лодки.
- Рисунок 4 – Supermarine Air Yacht; летающая лодка-моноплан с высокорасположенным крылом, оснащенный короткими боковыми поплавками-«жабрами» по типу Dornier.
- Рисунок 5 – Blackburn Iris II; летающая лодка-биплан с крыльями равного размаха и подкрыльевыми поплавками, установленными у законцовок нижнего крыла.
- Рисунок 6 – Blackburn Sydney; летающая лодка-моноплан с высокорасположенным крылом с подкрыльевыми поплавками, расположенными близко к корпусу лодки.
Рисунок 3. Летающая лодка Supermarine Southampton X (силовая установка – 3 двигателя Armstrong Siddeley Jaguar) выполняет взлет
Рисунок 4. Летающая лодка Supermarine Air Yacht (силовая установка – 3 двигателя Armstrong Siddeley Jaguar) выполняет взлет
Рисунок 5. Летающая лодка Blackburn Iris (силовая установка – 3 двигателя Rolls-Royce Condor) непосредственно перед касанием воды (FLIGHT Photo)
Рисунок 6. Летающая лодка-моноплан Blackburn Sydney (силовая установка – 3 двигателя Rolls-Royce Kestrel) (FLIGHT Photo)
Обычно используются три типа устройств стабилизации на воде: короткие боковые поплавки-«жабры» по типу Dornier, подкрыльевые поплавки, установленные ближе к корпусу лодки, и обычные подкрыльевые поплавки у законцовок крыла. Все они страдают от серьезного дефекта уязвимости во время взлета или посадки при сольном волнении, и если они достаточное количество повреждений, то они могут легко привести к катастрофе или полной гибели воздушного корабля. Все единодушно выражают мнение, что все эти типы представляют угрозу для мореходных качеств. Выше мы видели выше, что стабилизаторы не нужны на скоростях 20-25 узлов (37-46 км/ч), и именно на этих более высоких скоростях наибольшая вероятность получить повреждения. Можно отметить, что стабилизаторы могут быть необходимы на всех скоростях в случае попытки взлета при сильной зыби с небольшим ветром.
На рисунке 7 показана альтернативная компоновочная схема, которая, по-видимому, позволяет преодолеть проблемы уязвимости, присущие описанным выше типам стабилизаторов, и в этом отношении представляет собой уникальное усовершенствование конструкции, предназначенное для достижения повышенной мореходности. Из рисунка видно, что это убираемые поплавки, которые расположены близко к корпусу лодки. В зависимости от состояния морской поверхности, преобладающего во время взлета или посадки или во время высокоскоростного разбега, пилот может отрегулировать их высоту и тем самым избежать контакта поплавков со сплошной массой воды и, следовательно, от повреждений.
Рисунок 7. Убираемые устройства стабилизации на воде
источник: Major J. D. Rennie, A.R.T.C, A.M.Inst.C.E., F.R.Ae.S. «The development of the long-range flying boat» «Flight» May 8, 1931, pages 413-416
перевод впервые опубликован — https://vk.com/@710541705-razrabotka-letayushchih-lodok-s-bolshoj-dalnostyu-poleta-01
